强岩溶生态景观湖区膨润土防水毯防渗应用实践

2022-09-15申洪波晏长军

水科学与工程技术 2022年4期

申洪波，晏长军

（遵义市水利水电勘测设计研究院有限责任公司，贵州遵义 563002）

强岩溶地区景观湖库盆透水性强、溶蚀裂隙发育，渗漏系统十分复杂［1-2］。溶洞、溶隙和破碎带等特殊地质处理合理与否，直接关系到整个湖区地基防渗体质量、投资成本和施工工期等能否高效可控，甚至还可能决定整个工程的成败［3］。强岩溶地区建坝挡水修建人工景观湖，在设计阶段必须开展大量调查、钻探和物探等工作，充分揭示岩溶发育的空间分布规律［4］，并结合工程特性针对不同渗漏，采取行之有效的防渗方案和关键技术合理指导施工才能达到良好的防渗效果，确保工程高效优质的施工建设。

1 工程概况

桃花源记景区是贵州省正安县“十三五”规划打造一个原始、与世隔绝的“桃花源”，为国家AAAA级旅游景区。景区位于正安县市坪乡境内，属典型的喀斯特漏斗型地貌，四周群山环绕，阳光充足、雨水丰沛、山川秀丽、气候宜人，是正安县奋力打造“民族特色、绿色生态、特色经济、旅游扶贫”的项目。按照景区规划，需在大矸沟河段修建面积约10万m2的桃花湖景观水体工程。桃花湖正常蓄水位1060.00m，正常蓄水位水体约22.7万m3，湖面面积约8万m2。

由于湖区拦河坝以上河段岩溶洼地、漏斗、落水洞等呈串珠状分布，沟谷地表无稳定水流，雨洪水多汇集于地下岩溶管道，暴雨时有小部分洪水从河槽汇流至下游消水洞。为形成有效的水面景观，针对景区所处位置特殊水文地质条件，需采取特殊工程措施或防渗措施进行处理形成防渗体，有效解决湖底及湖岸防渗问题［5］，确保景区具备建湖蓄水条件。

2 工程地形地质条件

桃花源记景区桃花湖位于市坪乡与谢坝乡之间的岩溶槽谷内，区内地势高峻，沟谷浅切，槽谷两侧为高陡山体，山顶高程多在1100～1300m。两山体间为宽缓起伏不大的岩溶槽谷，槽谷宽一般80～120m，总体呈南北向展布，两岸山体与槽谷相对高差大于100m。工程区地震基本烈度为Ⅵ度，属构造稳定区。槽谷套洼地内未见稳定的地表水流，仅两岸山体短浅的地表溪流汇入岩溶槽谷后多沿溶隙、洼地内筛状落水洞等潜入地下伏流。湖区槽谷洼地覆盖层厚15～33m，岩体物理力学指标，如表1。

表1 湖区岩体物理力学指标

根据现场地表调查和工程钻探揭露，桃花湖位于一岩溶洼地内，北东、西高，南面存在低槽谷和低垭口，地形封闭条件较差。湖区发育有KLD1、KLD3～KLD8洼地套落水洞，岩溶强发育，地表无稳定水流，为岩溶干谷且地下水埋深大，现状不具备蓄水条件。

3 防渗形式比选

桃花湖湖区地形封闭条件差，地基以含碎石黄黏土及白云质岩、灰岩等为主，其透水率大、溶蚀裂隙发育，只有通过合理防渗工程进行处理，才满足湖区1060.00m生态景观蓄水水面要求。根据湖区地形地质条件和景区规划中对桃花湖水景观要求，优选沿湖岸垂直防渗方案和湖底水平防渗方案两种防渗方案进行技术经济对比分析。

3.1 湖岸垂直防渗方案

由于桃花湖湖区处于槽谷套洼地内出露全为∈1q强岩溶地层，岩层产状较平缓，现地表无稳定水流，均通过地表岩溶洼地内溶隙、落水洞等潜入地下岩溶管道，通过物探和钻孔揭露，地下水位及岩溶通道下伏较深（80～130m），且湖岸坡无可靠的隔水层。采取沿湖岸垂直防渗帷幕灌浆方案，虽然其工程区的开挖及混凝土浇筑工程量少，对周边自然环境影响较小，但防渗边界难以确定，防渗工程量巨大，工程投资约5127万元，且可靠性差，存在较大技术风险，不能有效解决库区渗漏问题。

3.2 湖底水平防渗方案

鉴于湖区槽谷洼地内覆盖层厚15～33m，主要为残坡积（Qedl）含碎石黄黏土、冲洪积及淤积（Qapl+s）含淤泥、淤泥质黏土；岸坡基岩出露。水平防渗方案可考虑采用混凝土面板防渗或柔性防水材料防渗。

3.2.1 混凝土面板防渗

为了避免地基不均一性引起的水平防渗建筑物（混凝土面板）不均匀沉降而破坏问题，须完全清除覆盖层后，在基岩面上浇筑混凝土防渗面板。经测算，覆盖层开挖量高达180万m3，基础处理和混凝土用量较大，工程实施中对规划景区的周边自然环境影响较大，且湖区大面积混凝土面板施工过程中质量难以控制，防渗部分投资约6368万元；运行中混凝土板存在沉降变形渗水风险，同时大面积的湖底硬化带来的生态效果较差。

3.2.2 柔性水平防渗方案

桃花湖建设湖体水深2～8m，槽谷洼地内覆盖层较厚，地下岩溶较发育，成串筛状洼地套落水洞，地下水埋藏较深。据调查，洪水期无较大的滞洪和气蚀、气爆等现象。为使防渗材料尽可能适应地基条件，减少基础处理工作量，宜考虑柔性材料的水平防渗方案。基础处理清除湖底表层腐殖土、平整和适当压实基面，在整个湖底和湖岸坡选择生态性能良好的防水毯防渗方案，不仅可以减少施工开挖和弃碴，使用的材料也生态环保、融于自然，防渗投资约3228万元，投资相对较省［6-7］。

综合比较分析可知：垂直防渗方案工程量大且防渗可靠性难以保证；水平防渗中混凝土面板方案基础处理工程量大且施工对生态环境的破坏和影响很大。从技术可靠性、环境影响、实施难度、投资等方面进行对比分析，设计优选湖底、湖岸铺设防水毯的水平防渗方案。

4 湖区柔性防渗处理方案

4.1 材料选择

钠基膨润土防水毯（GCL）是许多土木、水利工程防渗的重要材料之一［8］。在湖底防渗衬垫系统中，膨润土防水毯相比等效压实性黏土衬垫厚度要薄，其防渗性能更佳，且在张力应变达20%工况下，其渗透率几乎不会增加；相比土工膜，其具有更好的抗渗性、生态性和施工便捷性［9-10］。因此，优选膨润土防水毯作为桃花湖湖区生态景观蓄水工程中的主要防渗结构材料。

4.2 防渗布置

根据湖区地形地质条件，对地表出露的溶洞、落水洞和岩溶漏斗先采用大块毛石回填压实，毛石回填采取干砌石方式，再浇筑0.5m厚C20混凝土，混凝土与四周基岩面连接形成封闭。尾部湖底设计高程1058.50m，拦河坝前湖底设计高程1053.50m，湖底坡降1%。由于区域地质条件差，岩溶强发育，湖底全断面采用铺设GCL膨润土防水毯防渗。由于湖底面积较大，为便于施工和适应防水毯压缩和拉伸变形，采用混凝土固边将湖底分为6块；在分块连接处及坡面顶部，采用C20混凝土锚固沟固边与防水毯连接。

4.3 生态防水毯敷设结构

湖底及岸坡地基土须为有80%颗粒通过0.25mm筛子的沙粒，地基必须坚固、平整，地面起伏不大于12mm。基面需无空鼓、裂缝、尖石、施工碎石等其他有可能损坏膨润土垫的异物。在整平后的湖底铺设30cm碎石、20cm砂反滤层、30cm素土垫层及膨润土防水毯，防水毯上部设30cm素土压重保护。对库岸及拦河坝上游坡面，在坡面整平后设30cm厚素土垫层、其上铺膨润土防水毯（GCL），15cm厚素土压重保护层填筑、铺筑10cm厚砂垫层及8cm厚C20混凝土预制块。对不设混凝土预制块的坡面，防水毯上部设30cm素土压重保护。膨润土垫末端放入坡顶的锚固沟内锚固，锚固沟的前端为圆形，膨润土垫须延伸到锚固沟的底部。生态防渗毯铺设结构断面，如图1。

图1 生态防水毯铺设结构断面

在较平整的接缝处，膨润土垫采用“条带法”在长度和宽度方向重叠搭接；在斜坡和特殊点的接缝处，膨润土垫采用膏体法搭接。膨润土防水毯上部回填的机械设备与膨润土垫需有不少于30cm的保护土层，回填土的颗粒需小于25mm，回填土不能进入两层搭接的膨润垫中间。膨润土防水毯搭接，如图2。

图2 膨润土防水毯搭接施工示意图

4.4 排水排气设计

由于库盆溶隙孔洞等与地下暗河连通，暗河水位消长形成气压变化会对防水毯和铺盖体造成顶托破坏，因此本工程在湖底、湖岸及拦河坝位置设置排水和排气管网。排水主管位于防水毯下层碎石垫层下部，紧贴纵向混凝土固边左右两侧布置，分别为1#、2#管径为ϕ300的排水主管，四周采用碎石回填，盲沟尺寸40cm×40cm。两条排水主管每50m设2条排水支管，排水支管位于防水毯下层碎石垫层下部，紧贴横向混凝土固边上下游两侧布置，排水支管采用ϕ200排水盲管，盲管外包裹聚酯长纤无纺布反滤层，四周采用碎石回填，盲沟尺寸30cm×30cm，两侧延伸至湖底环向固边，中间分别接入排水主管。1#、2#排水主管最终穿过拦河坝，排入坝后排水沟后排入下游落水洞。

排气管采用DN100钢管，布置于每纵横向固边端部，埋设于湖岸防渗面板后，下部穿过湖底环向固边后与排水支管相连，上部根据景观布置从适当位置穿出于设计洪水位以上，并隐藏布置且保证其顶部管口高程高于1061.72m（P=10%水位）。